DE4201949C2 - Verfahren zum Spritzen von Lacken sowie Lackiervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Spritzen von Lacken mit durch Lagerung erhöhter Viskosität mittels einer Spritzeinrichtung, bei dem die Viskosität teilweise durch Verdünnung reduziert wird, sowie eine Lackiervorrichtung mit einem Lackreservoir und einer Ringleitung, von der aus mindestens eine Spritzeinrichtung mit Lack versorgt wird.

Aus Seite 355 des Glasurit-Handbuchs "Lacke und Farben" der BASF Farben + Lacke AG (1984) ist in Abbildung 4 eine Lackiervorrichtung gezeigt, bei der das Lackmaterial in Farbvorratsbehältern auf die Verarbeitungsbedingungen eingestellt wird. Die Farbvorratsbehälter sind über eine Ringleitung mit den Lackabnahmestellen verbunden.

Lacke werden vom Hersteller üblicherweise mit einer Viskosität von 60 bis 80 Sekunden Auslaufzeit geliefert. Bereits nach mehr oder weniger kurzer Lagerzeit steigt die Viskosität durch Nachbenetzung der Pigmente, Konglomeratbildung und Aufbau von Thixotropie auf das doppelte und darüber an. Besonders ausgeprägt ist dieser Viskositätsanstieg bei Lacken mit organischen Pigmenten, die in letzter Zeit aus Gründen der Umweltverträglichkeit und aus Gründen der Arbeitshygiene Lacke mit schwermetallhaltigen Pigmenten verdrängt haben.

Da organische Pigmente eine geringere Deckkraft als schwermetallhaltige zeigen, wird bei Lacken mit organischen Pigmenten der Pigmentanteil bis zur Grenze der Aufnahmefähigkeit erhöht, um nicht mehrmals aufgetragen werden zu müssen.

Deshalb wird in der Praxis der durch Lagerung auf eine Viskosität von etwa 120 und mehr Sekunden Auslaufzeit verdickte Lack durch Zusatz von Lösungsmittel auf die Spritzviskosität von 20 bis 30 Sekunden Auslaufzeit abgesenkt. Dadurch werden große Mengen Lösungsmittel benötigt, was in mehreren Hinsichten nachteilig ist.

Lösungsmittel ist nicht nur teuer und umweltschädlich (es muß ja wieder zurückgewonnen werden), es vermindert auch den sogenannten Spritzfestkörper, das ist der nach Verdampfen des Lösungsmittels übrigbleibende feste Anteil. Dadurch entsteht wieder schlechte Deckkraft, Neigung zu Läufern und Kochern auf der lackierten Oberfläche und schlechte Kanten- und Fugenabdeckung.

Ein weiteres Problem bei pigmenthaltigen Lacken entsteht dadurch, daß der Lack in den bekannten Anlagen aus einem Lackreservoir in einer die einzelnen Spritzvorrichtungen speisenden Ringleitung umläuft, wodurch der Lack dauernd in Bewegung gehalten wird. Pigmenthaltige Lacke sind aber relativ empfindlich, sie brechen nach längerer anhaltender heftiger Bewegung zusammen, was sich in Entmischen und Klümpchenbildung äußert.

Um das zu verhindern, muß die Ringleitung so gestaltet sein, daß der unbenutzte Lack möglichst schonend behandelt wird, sie darf also keine starken Querschnittsveränderungen oder scharfe Umlenkungen aufweisen und der Druck soll möglichst niedrig sein. Daher wird der Lack bereits im großen Lackreservoir auf Spritzviskosität herunterverdünnt, mit den oben erwähnten nachteiligen Auswirkungen auf die Spritzqualität.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mit denen es möglich ist, die durch eine Lagerung erhöhte Viskosität des Lackes mit geringem Lösungsmittelaufwand auf Spritzviskosität zu verringern.

Ausgehend von dem gattungsgemäßen Stand der Technik wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Viskosität des Lackes nach bzw. vor der Verdünnung in einem Zwischenreservoir kurz vor der Spritzeinrichtung durch kurzzeitige Einwirkung einer gezielten Scherbeanspruchung auf den Lack zusätzlich herabgesetzt wird.

Durch die Scherbeanspruchung des Lackes kurz vor der Spritzeinrichtung wird die Thixotropie des Lackes kurzzeitig gebrochen, ohne ihn zu zerstören. Hierdurch ist es möglich, den Lösungsmittelverbrauch bedeutend zu verringern. Da die Scherbeanspruchung kurzzeitig ist, tritt keine meßbare Temperaturerhöhung in dem Lack auf. Eine Temperaturerhöhung wäre gänzlich unerwünscht, da durch sie die Thixotropie des Lackes abnehmen oder vollkommen verschwinden würde. Die Folge hiervon wäre, daß der gespritzte Lack zur Tropfenbildung neigt.

In einer ersten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Lack von einer Viskosität von 120 bis 200 Sekunden Auslaufzeit auf eine Viskosität von 40 bis 80 Sekunden verdünnt und die Viskosität dann durch die Scherbeanspruchung auf die Spritzviskosität herabgesetzt. Da der bereits verdünnte Lack der Scherbeanspruchung unterworfen wird, ist der Druckverlust und somit der Verlust an Pumpenergie geringer. Außerdem wird durch die Scherbeanspruchung die Vermischung mit dem Verdünnungsmittel verbessert.

In einer anderen Weiterbildung des Verfahrens wird die Viskosität des Lackes von 120 bis 200 Sekunden Auslaufzeit zuerst durch Scherbeanspruchung auf 50 bis 90 Sekunden herabgesetzt und der Lack dann bis auf Spritzviskosität verdünnt. Auf diese Weise ist der Verbrauch an Lösungsmittel etwas geringer.

Vorzugsweise wird die Scherbeanspruchung mittels einer Pumpe erzeugt, indem entweder eine Kolbenpumpe oder eine Zahnradpumpe verwendet wird. Durch ihre Funktionsweise haben diese Pumpen eine besonders hohe Scherwirkung, die durch geeignete Auslegung und Gestaltung noch verstärkt werden kann.

Zweckmäßigerweise wird die Scherbeanspruchung erzeugt, indem der Lack an in Strömungsrichtung verlaufenden Flächen vorbeigeführt wird. So kann das Verfahren mit nur geringen Änderungen an vorhandenen Spritzanlagen ausgeführt werden. Dabei können die Flächen Teil eines Mischers oder eines anderen geeignet gestalteten Elementes sein, wobei im Mischer gleichzeitig das Lösungsmittel zur weiteren Verdünnung zugeführt werden kann.

Bei Verwendung einer Kolben- oder einer Zahnradpumpe kann die Scherwirkung noch dadurch erhöht werden, daß die Pumpe eine größere als die verspritzte Menge fördert und der Überschuß wieder auf die Saugseite der Pumpe zurückgeführt wird. Der Lack durchläuft die die Scherbeanspruchung ausübende Pumpe somit mehrmals, was bei einem kleinen nahe der Spritzpistole angeordneten Lackreservoir noch keine nachteiligen Wirkungen hat. Außerdem steigt dadurch die Temperatur des Lackes etwas an, was eine weitere Absenkung der Viskosität zur Folge hat.

Durch Einwirkung auf die Fördermenge oder auf die Spritzmenge läßt sich die Temperatur auf einen optimalen Wert regeln, sodaß diese weitere Absenkung der Viskosität auch sicher stattfindet, wodurch der Lösungsmittelzusatz weiter vermindert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich am besten mit einer Lackiervorrichtung durchführen, die ein Lackreservoir und eine Ringleitung aufweist, von der aus mindestens eine Spritzeinrichtung mit Lack versorgt wird. Zwischen Ringleitung und Spritzeinrichtung ist ein Zwischenreservoir vorgesehen, aus dem der Lack der Spritzeinrichtung mittels einer Pumpe zugeführt wird, die zur Verringerung der Viskosität Scherkräfte auf den Lack ausübt.

Bei dieser Lackiervorrichtung bleibt die hochscherbeanspruchte Lackmenge klein und wird rasch verbraucht, bevor sie Schaden leidet. Außerdem wird das Zwischenreservoir aus der Ringleitung gespeist, d. h. es braucht nicht von Hand nachgefüllt zu werden. So kann eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik bei der erfindungsgemäßen Lackiervorrichtung als Versorgungseinrichtung verwendet werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 Anlage zur Lackzufuhr nach dem Stand der Technik,

Fig. 2 Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Anlage zur Lackzufuhr,

Fig. 3 Detail 3 aus Fig. 2,

Fig. 4 Versuchsanordnung.

Eine bekannte Anlage nach Fig. 1 besteht aus einem Lackreservoir 1, einer Pumpe 2 und einer Ringleitung, die einen vorlaufenden Zweig 3 und einen rücklaufenden Zweig 4 umfaßt, und aus einer Anzahl von Spritzpistolen 6 (eine zweite Spritzpistole ist mit 6′ bezeichnet). Die Spritzpistole 6 ist über eine Zweigleitung 5 mit dem vorlaufenden Zweig 3 der Ringleitung und über einen Rücklauf 7 mit dem rückführenden Zweig 4 der Ringleitung verbunden. Dem Lackreservoir 1 werden in großen Mengen Lack 8 und Verdünner 9 in einem derartigen Verhältnis zugeführt, daß der Lack Spritzviskosität aufweist. Der spritzfertige Lack läuft in der Ringleitung 3, 4 um, aus der der Lack für die Spritzpistolen 6 entnommen wird. Dabei ist darauf zu achten, daß sowohl in der Pumpe 2 selbst als auch in der Ringleitung 3, 4, die vom Lack sehr oft durchlaufen werden, möglichst wenig Strömungsstörungen, Drosselstellen und Druck­ sprünge auftreten, und daß auch der von der Pumpe 2 erzeugte Druck nicht zu hoch ist. Da die in solchen Anlagen verwendeten Spritzpistolen 6 meist über keine eigene Pumpe verfügen, ist der Materialdruck dadurch begrenzt.

Anhand von Versuchsergebnissen wird weiter unten erläutert, daß die Viskosität des Lackes auch durch relativ kurzzeitige Scher­ beanspruchung abgesenkt werden kann, was nebst anderen Vortei­ len den Verbrauch an Lösungsmittel senkt.

Die Viskosität von Lacken wird nach ISO 2431 (vormals DIN 53 224) in Sekunden Auslaufzeit aus einem genormten Becher gemessen. Angeliefert werden Lacke mit einer Viskosität von etwa 60 bis 80 Sec. Nach einer mehr oder weniger kurzen Lager­ zeit steigt die Viskosität auf etwa 120 Sekunden oder darüber an. Die Spritzviskosität liegt aber zwischen 20 und 30 Sec.

In der in Fig. 2 schematisch dargestellten erfindungsgemäßen Anlage wird von der Erniedrigung der Viskosität durch Scherbe­ anspruchung Gebrauch gemacht. Dabei sind für dieselben Elemente Bezugszeichen mit denselben Einerstellen wie in Fig. 1 verwen­ det. Hier wird allerdings dem Lack 18 viel weniger Verdünner 19 hinzugefügt. Es braucht ja nicht bis auf die Spritzviskosität verdünnt zu werden, sondern nur soweit, daß sich durch die Scherbeanspruchung dann die Spritzviskosität einstellt.

Alternativ wäre es auch möglich, den Lack unverdünnt in das Lackreservoir 1 einzufüllen und den Verdünner erst nach der Scherbeanspruchung beizumischen, was allerdings etwas unprak­ tisch ist. Es ist zu erkennen, daß Lackreservoir 1 und Ringlei­ tung 3, 4 unverändert von einer Anlage nach dem Stand der Technik übernommen werden können. Durch die höhere Viskosität ist lediglich der Druck in der Ringleitung 13, 14 geringer, was aus noch zu erläuternden Gründen nicht schadet.

In Fig. 2 ist als weiterer Unterschied gegenüber Fig. 1, die Spritzpistole 16 und ihre Umgebung anders ausgebildet. Die Zweigleitung 15 mündet nämlich in ein Zwischenreservoir 20, das aus noch anzugebenden Gründen nicht zu groß sein soll und zweckmäßigerweise mit der Spritzpistole 16 vereint ist. Dabei kann im Zwischenreservoir 20 an der Zweigleitung 15 eine nur schematisch dargestellte Niveauregelung 17 vorgesehen sein. Aus diesem Zwischenreservoir 20 wird der Lack von einer weiteren Pumpe 21 in die Spritzpistole 16 gefördert. Diese Pumpe 21 ist allerdings keine übliche Membranpumpe, sondern eine Pumpe, die auf den Lack große Scherkräfte ausübt. Eine solche Pumpe ist etwa eine geeignet ausgelegte Kolbenpumpe oder eine Zahnrad­ pumpe. Diese Aufzählung ist aber nicht einschränkend. Es könn­ ten auch noch andere Pumpenbauarten die erforderliche hohe Scherbeanspruchung erreichen.

In Fig. 3 ist die Spritzpistole 16 mit ihrer Peripherie ge­ nauer dargestellt, wobei die Zweigleitung 15 von der Ringlei­ tung 13, 14 (Fig. 2) über eine Niveauregelung 17 zum Zwischen­ reservoir 20 zwar eingezeichnet ist, bei einer nicht von einer Ringleitung versorgten einzelnen Spritzpistole aber wegfallen kann. Das Zwischenreservoir 20 könnte auch, so wie es mit dem Lackreservoir 11 geschieht, mit Lack und Verdünner gefüllt werden, allerdings mit einer wesentlich geringeren Menge. Die Pumpe 21 ist in den Lack eingetaucht und über eine Druckleitung 23 wird der Lack zum Spritzventil 25 der Spritzpistole 16 und von dort zur Spritzdüse 30 geführt. Dabei kann die Spritzpi­ stole 16, wie dargestellt, mit dem Zwischenreservoir eine Einheit bilden oder von diesem örtlich getrennt sein, was punktiert angedeutet ist.

Zusätzlich ist dieser Fig. 3 noch eine Weiterbildung zu ent­ nehmen, die darin besteht, daß in der Druckleitung 23 ein Druckbegrenzungsventil 24 angeordnet ist. Wenn die Pumpe 21 für eine höhere Fördermenge ausgelegt ist, als durch die Düse 30 verspritzt werden kann, wird ein Teil des Lackes in dem Druck­ begrenzungsventil 24 abgezweigt und über den internen Rücklauf 22 wieder in das Zwischenreservoir 20 zurückgefördert. Dieser kleine Kreislauf bewirkt, daß der Lack mehrmals in der Pumpe 21 einer Scherbeanspruchung ausgesetzt wird, wodurch die viskosi­ tätsmindernde Wirkung stärker wird. Das ist wegen des geringen Inhaltes des Zwischenreservoirs 20 ohne Zusammenbrechen des Lackes möglich, da die Füllmenge vorher verbraucht ist. In Zusammenhang damit wird auf die weiter unten wiedergegebenen Versuchsergebnisse verwiesen.

Wenn die Spritzviskosität besonders genau eingehalten werden soll, ist es möglich und in Fig. 3 auch noch angedeutet, einen mit einem Temperaturfühler 26 verbundenen Temperaturregler 27 vorzusehen und von diesem aus mittels eines Motorreglers 28 die Förderleistung des Pumpenmotors 29 entsprechend zu regeln. Da­ durch kann im Umlaufbetrieb die stark von der Temperatur abhän­ gende Spritzviskosität konstant gehalten werden.

Im folgenden werden die Versuchsergebnisse mitgeteilt, die die überraschende viskositätsabsenkende Wirkung der Scherbeanspru­ chung dartun. Unter Scherbeanspruchung im Sinne der Erfindung ist die gegenseitige Verschiebung der Lackteilchen in Strö­ mungsrichtung zu verstehen. Es wird vermutet, daß durch diese Art der Verschiebung die der Viskosität zugrundeliegenden intermolekulären Kräfte teilweise gebrochen werden.

Zuerst wird anhand von Fig. 4 die Versuchsaufstellung be­ schrieben. Ein erster verschließbarer Becher 40 ist über ein Rohr 43 mit einem zweiten Becher 44 verbunden. Das Rohr 43 enthält eine Pumpe 41 und, wahlweise für eine Versuchsvariante, einen Mischer 42 (es wurde ein branchenüblicher sogenannter "Königsmischer" verwendet).

Versuch 1: Stand der Technik

Der erste Becher 40 wurde mit unverdünntem gelagerten Uni-Lack mit einer Viskosität von 157 Sec., gemessen bei einer Tempera­ tur von 19 Grad in einen genormten Becher (Größe 4) gefüllt und der Inhalt in verschiedener Weise in den zweiten Becher geför­ dert. Dann wurde in derselben Weise die Viskosität im zweiten Becher 44 gemessen. Sie betrug

- bei Verwendung einer gebräuchlichen Membranpumpe als Pumpe 41, ohne Mischer|125 Sec.
- ohne Pumpe, nur durch den Mischer	128 Sec.

Versuch 2: Erfindung

Der Becher 44 wurde mit Lack mit einer Viskosität von 134 Sec., unter denselben Bedingungen gemessen, gefüllt. Nach Durchlaufen wurde die Viskosität wieder nach derselben Methode bestimmt zu:

- bei Verwendung einer Kolbenpumpe|78 Sec.
- bei Verwendung einer Kolbenpumpe und eines Mischers	78 Sec.
- bei Verwendung einer Zahnradpumpe als Pumpe	76 Sec.

Vergleich dieser beiden Versuche ergibt, daß im Versuch 1 bei Verwendung einer Membranpumpe die Viskosität um 20 Prozent, im Versuch 2 bei Verwendung einer Kolbenpumpe um 42 Prozent, bei Verwendung einer Zahnradpumpe um 43 Prozent erniedrigt wurde.

Weiters wurde die erforderliche Menge Verdünner gemessen, um bei einem gelagerten Lack von einer Ausgangsviskosität von 134 Sec. auf die Spritzviskosität von 30 Sec. zu gelangen:

• - Bei Verwendung einer Membranpumpe waren dazu 21 ml (pro 100 ml Lack) erforderlich,
• - bei Verwendung einer Kolbenpumpe nur 16 ml.

Das ergibt eine Ersparnis von 28 Prozent. In diesem Ausmaß verringern sich die Kosten des Verdünners und erhöht sich der Spritzfestkörper und die Qualität der Lackierung.

Versuch 3

Um die Wirkung wiederholter Scherbeanspruchung zu untersuchen, wurde das Rohr 43 so gebogen, daß es in den ersten Becher 40 zurückförderte. In dieser Anordnung wurde ein Lack mit einer Ausgangsviskosität von 167 Sec. bei 26,5 Grad Celsius im Kreislauf geführt und in bestimmten Zeitabständen die Viskosität gemessen:

- Viskosität nach 10 Minuten|66 Sec.
- Viskosität nach 15 Minuten	58 Sec.

Dann wurde der Kreislauf stillgesetzt und 16 Stunden später wieder gemessen:

- Viskosität nach 16 Stunden|104 Sec.

Es ist zu erkennen, daß bei längerem Stillstand eine "Erholung" eintritt und die Viskosität wieder ansteigt.

Daß im Versuch 2 die Resultate mit Kolbenpumpe und Königsmi­ scher nicht besser als mit der Pumpe allein sind, führt zu der Annahme, daß die Viskositätsverminderung durch Scherbeanspru­ chung über die 42 Prozent hinaus nicht mehr wesentlich gestei­ gert werden kann.

Claims (9)

1. Verfahren zum Spritzen von Lacken mit durch Lagerung erhöhter Viskosität mittels einer Spritzeinrichtung, bei dem die Viskosität teilweise durch Verdünnung reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität des Lackes nach oder vor der Verdünnung in einem Zwischenreservoir kurz vor der Spritzeinrichtung durch kurzzeitige Einwirkung einer hohen Scherbeanspruchung auf den Lack zusätzlich herabgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lack von einer Viskosität von 120 bis 200 Sekunden Auslaufzeit auf eine Viskosität von 40 bis 80 Sekunden verdünnt und die Viskosität dann durch die Scherbeanspruchung auf die Spritz­ viskosität herabgesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Viskosität des Lackes von 120 bis 200 Sekunden Auslaufzeit zuerst durch Scherbeanspruchung auf 50 bis 90 Sekunden herab­ gesetzt und der Lack dann bis auf Spritzviskosität verdünnt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherbeanspruchung mittels einer Kolbenpumpe erzeugt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherbeanspruchung mittels einer Zahnradpumpe erzeugt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scherbeanspruchung erzeugt wird, indem der Lack an in Strö­ mungsrichtung verlaufenden Flächen vorbeigeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe eine größere als die verspritzte Menge fördert und der Überschuß wieder auf die Saugseite der Pumpe zurückge­ führt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Lackes vor oder nach der Pumpe gemessen und für die Steuerung der Fördermenge und/oder der Spritzmenge verwen­ det wird.

9. Lackiervorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-8 mit einem Lackreservoir (1) und einer Ringleitung (3, 4), von der aus mindestens eine Spritzeinrichtung (6, 6′) mit Lack versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ringleitung (3, 4) und Spritzeinrichtung (6) ein Zwischenreservoir (20) vorgesehen ist, aus dem der Lack der Spritzeinrichtung (6) mittels einer Pumpe (21) zugeführt wird, die zur Verringerung der Viskosität Scherkräfte auf den Lack ausübt.